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浙江工业大学硕士学位论文 基于功率平衡的减负荷系统研究 摘要 随着电力系统的规模不断扩大，在电力系统经济性得到显著提高的同时，也消弱了系 统抗大扰动的能力。本文首先讲述电力系统的发展及现代电力系统的特点，阐述了电力系 统频率以及系统电压的概念，及频率控制、电压控制的重要性。接着详细分析了负荷特性 下的功率平衡因素，电力系统中频率、电压与有功功率、无功功率之间的联系。论文进行 了微电网模型和功率平衡控制研究，并建立了微电网模型，在此基础上利用 e m t d c p s c a d 进行了仿真研究。论文主要研究了微电网分别在联网运行时，分布独立运 行和前两者切换运行时微电网系统的运行和功率平衡控制。特别强调了微电网在孤岛运行 模式下的功率平衡控制问题，并分别从能量平衡、频率控制、电压控制等三方面作了仔细 的分析。论文中，首先仿真了在微电网与主电网联网状态下，风力发电机启动接入微电网 而引起的系统功率的流动变化和各发电单元中无功、有功功率的变化情况。接着仿真了计 划孤岛操作下微电网的暂态过渡特性，为故障处理提供了依据。然后我们仿真了主电网发 生三相接地短路故障后，微电网通过跳闸隔离进入孤岛化运行的暂态过程中系统各发电单 元功率变化。文中给出了微电网系统运行的仿真结果，充分说明了微电网系统中功率平衡 控制的重要性。由于系统的有功一频率特性与无功一电压特性之间的不完全解耦关系及其相 互影响；因此，在精确、完整的系统设计中，特别是在以提高系统控制优化性能为目标的 情况下，必须认真考虑电压变化对系统负荷、频率及系统控制性能水平可能存在的影响。 于是，本文提出了微电网中的低压减负荷控制算法和微电网中的频率预测算法。本文提出 了一种低频减负荷时间常数p i d 控制算法。新型的减载方案既适用于系统最严重的功率缺 额的情况，也适用于地区性功率缺额的情况。通过仿真实验与传统减载方案进行比较，可 以看出新型减载方案具有装置动作迅速，能优先在扰动大的地区进行切负荷，降低了联络 线负担，频率恢复时间短。 论文最后对全文所作的工作进行了总结，指出研究的不足之处，提出有待进一步需要 研究和解决的问题。 关键词：功率平衡，e m t d c p s c a d 仿真，微电网 浙江工业大学硕士学位论义 t h er e s e a r c ho nl o a ds h e d d i n gs y s t e mb a s e do np o w e r b a l a n c e a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ee x p e n d i n gs c a l eo ft h ep o w e rs y s t e m w i t ht h eo b v i o u sr a i s eo ft h e e c o n o m i c a le 筒c i e n c y r e s u l t si ns l a c k i n gd o w nt h ec a p a b i l i t yo f r e s i s t i n gp e r t u r b a t i o n f i r s t ， t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c o u r s eo nt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e ma n di t sc h a r a c t e r i s t i c ，e l a b o r a t e t h ec o n c e p to ft h ef r e q u e n c ya n dv o l t a g ei nt h ep o w e rs y s t e m ，w i t ht h ei m p o r t a n to fc o n t r o l l i n g f r e q u e n c ya n dc o n t r o l l i n gv o l t a g e t h e n a n a l y s i sp o w e rb a l a n c ef a c t o rw i t ht h el o a d c h a r a c t e r i s t i c t h ei m p o r t a n tr e l a t i o nb e t w e e nf r e q u e n c y , v o l t a g ea n da c t i v ep o w e r ，r e a c t i v e p o w e ri np o w e rs y s t e m sw a sa n a i y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n w ea l s or e s e a r c ho nt h em o d u l eo f t h em i c r o g r i ds y s t e r na n di t sp o w e rb a l a r l c ec o n t r 0 1 t h e ne s t a b l i s ht h em i c r o g r i ds y s t e r n m o d u l e a n dr e s e a r c ho nt h es i m u l a t i o no f t h es y s t e r nb yt h es o f t w a r ee m t d c p s c a d t m s d i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c ho nt h em i c r o g r i ds y s t e mr u ni nt h en e t w o r ka n di n d e p e n d e n t s i t u a t i o nw i t hp o w e rb a l a l e ec o n t r 0 1 e s p e c i a l l y , a n a l y s i st h es y s t e r nf r o mp o w e rc o n t r o l ， f r e q u e n c yc o n t r o l ，v o l t a g ec o n t r o lr e s p e c t sw h e ni nt h ei s l a n dm o d e f i r s t l y ，w es i m u l a t ei nt h e n e t w o r k ，t h ew i n dp o w e rs t a r tt o o i ni nt h em i c r o g r i dr e s u l ti nt h ep o w e rf l o wc h a n g ea n d r e a l p o w e r , r e a c t i v e p o w e rv a r i a t i o ni nt h ep o w e ru n i t t h e l lw es i m u l a t et h ep r e - p l a r m e d i s l a n d i n gt oi n v e s t i g a t et r a n s i e n tb e h a v i o ro ft h em u l t i p l ed gm i c r o g r i da st h eb a s i sf o rt h e f a u l t s o l v e t h em o r e w es i m u l a t et h em a i np o w e rd u r i n gt h et h r e e p h a s el i n e t o g r o u n df a u l l t h em i c r o g r i db yt r i p p i l l go p e r a t i o ni s o l a t ei nt h ei s l a n d i n gt r a n s i e n tw i t hp o w e rv a r i a t i o ni n e a c hp o w e ru n i t m u 曲t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ei m p o r t a n to ft h ep o w e rb a l a n c ec o n t r o li n m i c r o g r i di so b v i o u s d u et ot h ei n c o m p l e t i o nd e c o u p l i n gr e l a t i o na n dt h em u t u a li n f l u e n c e ，s o i nt h ep r e c i s ea n dp e r f e c ts y s t e md e s i g n ，e s p e c i a l l yt or a i s et h eo p t i m i z ec o n t r o l l i n gs y s t e m p e r f o r m a n c e m u s tw e l lc o n s i d e r i n gt h ec h a n g eo ft h ev o l t a g ei n f l u e n c et ot h es v s t e m1 0 a d ， f r e q u e n c ya n dc o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c e s ow ep r o p o s et h eu n d e r - v o l t a g el o a ds h e d d i n gc o n t r o l a r i t h m e t i ca n df r e q u e n c yp r e d i c ta r i t h m e t i ci nt h em i c r o g r i ds y s t e m t h e np r o p o s eap i d c o n t r o la r i t h m e t i ct oc o n f i r mt i m ec o n s t a n ti nl o w f r e q u e n c y1 0 a ds h e d d i n g t h en e wp r o p o s a l s u i t st ot h ew o r s tp o w e rd e f i c i e n c ys i t u a t i o n , a l s oi su s e f u lt ot h el o c a lp o w e rl a c k i n g t h r o u g h t h es i m u l a t i o nr e s e a r c h ，c o m p a r et ot h et r a d i t i o n a ll o a ds h e d d i n gp l a n ，w ec a ns e et h a tt h em o r e f a s tt h en e wl o a ds h e d d i n gp r o p o s a lw o r ka n dq u i c k l ys h e d d i n gt h el o a di nt h el a r g e p e r t u r b a t i o n r e l e a s et h eb u r d e no ft h ei n t e r c o n n e c t i o nl i n e ，t h es h o r tt i m et or e c o v e r i nt h ee n d ，t h ep a d e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hc o n t e n tp o i n t i n go u tt h er e s e a r c hd e f i c i e n c y , a n dt h ep r o b l e m st h a tn e e dt ob ef u r t h e rr e s e a r c h e da n dr e s o l v e da r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：p o w e rb a l a n c e ，e m t d c p s c a d ，s i m u l a t i o n ，m i c r o - 鲥d u 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 钎良 日期：2 0 0 8 年1 1 月1 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借i 阋。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：多筝k 日期： 潲年月g 日j 导师虢钳7 布卵期：硎年m f 矿日 j 浙江工业大学硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 众所周知，电力系统的频率崩溃或电压崩溃是全系统的事故。为防止该类事 故的发生，必须全系统考虑，在系统中的相应负载点，安装低频低压自动减载系 统【l 】。并根据负载的重要程度分级，在不同的低频、低压情况下，分别地切除不 同等级的负载，凡是重要性低的负载首先切除，而后逐级上升，直到系统频率、 电压恢复正常为止。 系统频率稳定问题。系统各发电机能维持同步运行，但各发电机的转速却同 步地改变，不断地升高或降低。在此情况下，系统虽能保持功角稳定，但不能继续 安全运行，因为失去了频率稳定性。功角稳定与频率稳定虽都与发电机转子运动 有关，但原因与后果都不相同。功角稳定决定于发电机之间有功功率分配，而频率 稳定决定于全系统有功功率是否平衡。 电力系统的频率是反映其有功功率是否平衡的重要指标【2 】，它与电压一起成 为系统供电质量的指标。 在电力系统中，无功功率同有功功率一样必须保持平衡，负载所需要的感性 无功功率由电网中无功电源( 发电机、调相机、静止无功补偿器、并联电容器等) 发出的容性无功功率来提供补偿。无功功率平衡应根据就地平衡的原则进行就地 补偿，避免大量的无功功率作远距离传输。无功补偿与无功平衡，对于电网电压和 线损尤为重要，关系到电网的经济、安全、可靠运行。 无功功率的平衡直接影响到整个电力系统的电压水平。为保证电力系统的电 压质量，就必须先保证电力系统无功功率的平衡【3 】【4 】。 随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高， 运行难度大，难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需 求。 微电网已成为一些发达国家解决电力系统众多问题的一个重要辅助手段。微 电网从系统观点看问题，将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一 浙江工业大学硕士学位论文 个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。微电网不仅解决了分布式电源 的大规模接人问题，充分发挥了分布式电源的各项优势，还为用户带来了其他 多方面的效益。 1 2 课题研究的目的和意义 随着我国现代化建设的发展，对电力的需求日益增加。近年来，我国电网 正朝着大容量、高电压的方向发展，从单一的地方小电网逐渐发展成为大区域联 网的系统，取得了巨大的经济优势。同时，大容量、大规模电力系统所面临的问 题也日益突出，电力系统稳定性一旦遭到破坏，必将造成巨大的经济损失和灾难 性的后果，如何保证及增强电力系统运行的稳定性，以及提出更为合理或者改善 原有的控制方式是迫切需要研究的问题，在此方面，综合考虑电力系统各种参数 的相互制约与影响是必不可少的。 电力系统运行的稳定性，指的是电力系统遭受干扰后从原有的状态过渡到一 个新的状态的能力，而且保证在新的稳定状态下，电能质量能满足要求。如不能 很快进入新的稳定状态或者电能质量严重越限，则视为稳定被破坏。电能质量主 要包括电压和频率两个重要方面，所以电力系统的稳定性也分为两大类，即电压 稳定性和频率稳定性。 电力系统频率偏差将带来诸多影响。对用户带来危害，使负荷运行在非额定 状态下，影响电气设备寿命，特别是针对传统工业用户而言，电动机的转速会随 系统频率的减小而下降，导致出力降低，频率升高时使电动机转速上升，增加功 率损耗。大机组的运行对系统频率的偏差要求非常严格，一旦超过频率的允许偏 差，会引起大机组的跳闸。例如，当频率下降到4 6 4 7 h z 时，火电厂的厂用机械 ( 如给水泵等) 的出力将显著降低，使锅炉出力减少，导致发电厂发电功率进一 步减少，致使功率缺额更为严重。于是系统频率进一步下降，这样恶性循环将使 发电厂运行受到破坏，从而造成频率崩溃。现代工业的发展对电能质量提出了越 来越高的要求。在现代企业中，由于芯片制造、变频调速驱动器、机器人、自动 生产线、精密的加工工具、可编程控制器、计算机信息系统的日益广泛使用，对 电能质量的控制提出了日益严格的要求。这些设备对电源的波动和各种干扰十分 敏感任，何供电质量的恶化可能会造成产品质量的下降，产生重大损失，比如， 2 浙江工业大学硕士学位论文 某些先进的科学仪器如大型电子计算机系统，当电网频率较低时( 一般低于 4 9 3 0 h z 时) 将无法启动或不能正常工作。所以很多重要用户为保证优质的不间 断供电，往往自己采取措施，如安装不间断电源( u p s ) ，但是这并不是经济合理 的解决办法，同时也增加了用户的投资。根本的出路在于供电部门能根据用户的 需要，提供可靠和优质的电能供应。由于我国电网频率变动允许范围为0 2 h z ，因 此许多重要产品质量比不上经济发达国家。同时也限制了我国研究发展要求电网 频变动范围为0 1 h z 的高新技术。 电力系统频率稳定性以系统的有功一频率特性为基础，主要考虑足够的系统 装机及充分的储备容量，当遭受大干扰后出现有功功率缺额时，电源能有足够的 有功出力以满足频率调节的需求，防止出现大的频率偏差，影响频率质量甚至发 生崩溃。但是我国电力部门尚未对频率质量引起足够的重视，以至于频率偏离标 准的情况一直存在于现有的电力系统中。实际上，频率的偏差除了一些公认的、 已知的危害以外，随着系统的大规模化发展和供电用户对更高质量电能的要求， 还将出现一些新的危害，而且会越来越明显。我国电力系统制定的电网频率允许 偏差范围将不能满足电力系统发展的要求，其中包括系统大干扰后新的稳定状态 的频率偏差，所以很有必要缩小电网频率变动偏差的制定值。 电力系统是向用户提供电能的网络，因而电能质量是供电部门生产经营活动 中的一个重要经济技术指标，能够确保用户处的电压接近额定电压值是我们电力 系统运行调度的主要任务之一。因为，在工农业生产和人民生活中使用的各种用 电设备都是按照额定电压来设计制造的。这些设备在额定电压下运行时，才能取 得最佳的运行状态。电压偏离额定值并超出所规定的范围时，对用电设备将产生 不良的后果。例如，电力系统中运行的异步电动机，其电磁转距是与其端电压的 平方成正比的。当电压降低1 0 时，电磁转距大约降低1 9 ；此时，如电动机拖 动的机械负载的阻力不变，电动机的转差率将增大，发热增加，绕组温度升高， 加速了绝缘介质的老化，大大影响了其使用寿命。如电压太低，将导致电动机停 转。而对于居民用户的照明灯将使其发光不足，影响了人们的视力和工作效率。 另外，如果电压偏移太大，也会对电力系统本身有不利的影响。电压过低，会使 网络中的功率损耗和能量损耗加大；如果电压太低，可能会危及电力系统运行的 稳定性能。电压过高时，系统中各种电气设备的绝缘可能遭受到损害，在超高压 浙江工业大学硕士学位论文 电网中还将增加电晕损耗，能源的浪费大大增加。 近年来关于电压稳定性的研究集中在无功一电压稳定性方面，提出了许多新 的技术和控制方法【5 1 ，特别是各种各样无功补偿设备的投入运行，提高了系统的 电压稳定性。系统出现大扰动后，这些无功补偿设备的投入将会影响动态过程中 各种系统参量，不可避免地影响到系统的动态频率，某些情况下可能严重影响频 率质量，甚至破坏系统频率稳定性。所以，为了提高系统频率质量和频率稳定性， 无功补偿设备的运行与控制应该充分考虑到系统的动态频率状况，制定兼顾系统 频率的无功一电压控制策略，既保证电压稳定性，又提高频率稳定性，同时提高 电能质量。 电力系统遭受大的扰动后会进入一个长时间的动态过程，从近几年的电力系 统事故分析，绝大多数都是由于在扰动后无法达到新的无功功率平衡而引起的。 表现为系统电压崩溃，所以为了提高大干扰电压稳定性，围绕如何快速补偿无功 功率缺额，电力工作者在多年的理论和工程实践中提出了许多切实可行的方法， 通过在系统中投入各种无功补偿设备，确实对提高大干扰电压稳定性起到了很好 的效果，动态电压水平也得以提高【6 】。这一过程中人们往往忽略了系统频率，只 以提高电压稳定性和电压水平作为唯一的目标，但是动态电压水平的提高会影响 系统负荷的功率大小，从而影响系统的有功一频率调节，必然影响系统的动态频 率，不但对频率质量造成影响，甚至在某些情况下造成频率崩溃。作为电力系统 稳定性的两个方面，电压稳定性和频率稳定性是具有同等地位的，如果仅仅以提 高电压稳定性为目标，可能造成频率稳定性的破坏【7 】【8 】。所以在制定无功电压控 制策略 i j 】的时候，必须兼顾系统频率稳定性，而且在系统对频率质量要求较高的 情况下必须尽可能地提高频率质量一】。 随着国民经济结构的调整和电力行业的飞速发展，当今社会对能源和电力供 应的质量以及安全可靠性要求日益提高，而目前电力工业在向“大电网、大机组” 模式发展的过程中，不可避免的存在着系统不稳定的弊端，局部事故极易扩大为 大面积的电网事故【1 0 1 ，严重影响着重要用户供电：同时，大量地消耗以煤为主的 化石能源所带来的日益严重的污染，以及对生态环境的破坏，使得研究利用清洁 能源和可再生能源发电成为迫在眉睫的课题。在此背景下引发了社会各界对分布 式发电系统( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n d g ) 的关注。尤其在近年来世界范围内接连 4 浙江工业大学硕士学位论文 发生几次大面积停电事故之后，电网的脆弱性充分暴露了出来。分布式发电具有 污染少、可靠性高、能源利用效率高、安装地点灵活等多方面优点，有效解决了 大型集中电网的许多潜在问题。分布式发电也称分散式发电或分布式供能，一般 指将相对小型的发电装置( 一般5 0 w m 以下) 分散布置在用户负荷现场或用户附 近的发电供能方式。分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需 求和资源分布，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资，同时，它与大电网 互为备用也使供电可靠性得以改善。微电网对分布式电源的有效利用及灵活、智 能的控制特点，使其在解决上述问题方面表现出极大潜能，是许多国家未来若 干年电力发展战略的重点之一。目前，一些国家己纷纷开展微电网研究，立足于 本国电力系统的实际问题与国家的可持续发展能源目标，提出了各自的微电网 概念和发展目标。微电网是一个由负载和微型电源组成的独立可控系统，对当地 提供电能和热能。这种概念提供了一个新的模型来描述微电网的操作；微电网可 被看作在电网中一个可控的单元，它可以在数秒钟内反应来满足外部输配电网的 需求；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求：增加本地可靠性，降低馈 线损耗，保持本地电压，通过利用余热提供更高的效率，保证电压降的修正或者 提供不问断电源。 1 3国内外广域网、微电网功率平衡控制的研究现状及发展趋势 由于系统的有功一频率特性与无功一电压特性之间的不完全解耦关系及其相 互影响；在实际系统控制中，特别是当发电一负荷不平衡度升高时，可能出现电 压升高至超过额定值，而频率仍有明显下降，甚至于远低于额定水平的现象 1 2 】 【1 3 】 o 目前，国内开发的是微机型低压、低频减载装置【1 4 】【1 5 】，没有考虑系统的有 功一频率特性与无功一电压特性之间的不完全解耦关系及其相互影响16 。1 引。 国内，哈尔滨光宇电气自动化有限公司开发了基于微机的低压低频减载装 置。 国外，加拿大和美国能源部门开发了运用d s m e s 协调的低压低频减载装 置。 国外一些电力系统，使用频率变化率华启动减负荷装置，以实现严重功率 口r 5 浙江工业大学硕士学位论文 f 缺额时快速切除。它是依据频率变化率竿达到某一设定值而动作的，在切除负 d f f 荷的过程中，系统转动惯量不断变化，很难根据系统的实际情况决定等与被切 d r 负荷在数量上的关系。另外，在大系统中，为了躲开频率下降过程中同一时间不 f 同地点的等值可能存在的较大差异，需要人为地增加延时，这就显著地削弱了 d f 它的优越性。 近年来，分布式发电技术的研究越来越受到世界各国的重视。在欧美许多发 达国家，分布式发电的研究已进入实用化阶段，研制出多种高效节能的分布式发 电装置，包括风力发电机组、水力发电机组、光伏电池阵列、小型热电联产设备 等多种方式。当前，对于分布式发电的实用化研究一方面是要进一步设计更加高 效率、低成本、利用可再生能源发电的分布式电源；另一方面就是要研究这些分 布式电源接入配电网以后对电力系统产生的各种影响，通过设计有效的保护和控 制策略，使其与接入的电网相兼容。目前，对于分布式发电保护控制的研究刚刚 起步，尚没有成熟的分布式发电保护控制策略，使得各种分布式电源普遍存在“并 网难 的问题，这无疑会制约分布式发电技术的推广与发展。因此，必须进一步 深入研究分布式发电保护控制策略，使分布式发电技术给电网带来各种便利的同 时，又不降低接入电网的安全性。只有找到可靠的分布式发电保护控制策略，才 能放心的实现分布式发电的并网运行。分布式发电指的是通过规模不大( 几十k w 到几十m - w ) 、分布在负荷附近的发电设施来经济、高效、可靠地发电。近年来， 对新型分布式发电技术的研究取得了突破性的进展，分布式发电有望在电能生产 中占有越来越大的比重，并对电力系统产生重大的影响。这些新型分布式发电技 术主要有以下几种：发电容量为几十k w 到几百k w 的微型燃气轮机，从几k w 到m 1 j i 级的燃料电池以及用于屋顶式太阳能发电的光伏电池发电技术等。另一方面，迅 速发展的储能技术也将在分布式发电中起重要的作用。 分布式发电并不是一个全新的概念，早期的小火电、小水电也属于分布式发 电只是由于技术经济性能不好，逐渐被淘汰了。在美国，容量为1 k w 到l o m w 的 分布式电源发电和储能单元正在成为未来分布式供能系统的主力单元。由于分布 式电源的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，故可满足工业、商业、居住和 交通应用的一系列要求。预计几年后，新一代的微汽轮机( 1 0 2 5 0 k w ) 可以完全 6 浙江工业大学硕士学位论文 商业化，为调峰和小公司余热发电提供了新机会。至1 j 2 0 2 0 年，由于新的能源需求 与老的电厂的退役，估计要增加1 7 1 0 1 2 k w h 的电力，几乎是近2 0 年增量的2 倍。 为满足市场需要，下一个1 0 年之后，美国的分布式发电市场装机容量估计每年将 达5 1 0 9 6 1 0 9w ，为解决这个巨大的缺口，美国能源部提出了以下几个涉及 分布式发电技术的计划，包括燃料电池、分布式发电涡轮技术、燃料电池和涡轮 的混合装置等。可以预料，在不久以后，分布式发电技术将在美国得到相当大的 发展。 在我国，随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电网的规模迅速膨胀。这 种发展所带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广大经 济欠发达的农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强 大的集中式供配电网需要巨额的投资和很长的时间周期，能源供应严重制约这些 地区的经济发展。而分布式发电技术则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。 在我国西北部广大农村地区风力资源十分丰富，像内蒙古已经形成了年发电量l 亿千瓦时的电量，除自用外还可送往北京地区，这种无污染绿色能源可以减轻当 地的环境污染。在可再生能源分布式发电系统中的除风力发电外，还有太阳能光 伏电池、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的良好办法。因此，应引起足够 的重视。在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电方式技术不可缺少的重要补 充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向。而在分布式发电技术中应用最为 广泛、前景最为明朗的，应该首推热电冷三联产技术，因为对于中国大部分地区 的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂来说，都存在供电和供暖或制冷需求， 很多都配有备用发电装置，这些场所都是热电冷三联产的多目标分布式供能系统 的广阔市场。目前国内多在分布式发电和分布式储能上开展相关的研究，对微电 网的研究还基本处在起步阶段。 综合以上，我们清楚了微电网的定义：能量来源主要为可再生能源： 发电 系统类型可为微型燃气轮机( m i c r o t u r b i n e ) 、内燃机( g a se n g i n e ) 、燃料电池 ( f u e lc e l l ) 、太阳能电池( p vp a n e l ) 、风力发电机( w i n dg e n e r a t o r ) 、生物质 能( b i o m a s se n e r g y ) 等；系统容量为2 0k w - - 1 0m w ；网内的用户配电电压等 级为3 8 0v ，或者包括1 0 5k v ；如与外部电网进行能量交换，电压等级由微电网 的具体应用等情况而定。 7 浙江工业大学顾十学位论文 1 4 本文的研究思路及安排 由于系统的有功一频率特性与无功一电压特性之间的不完全解耦关系及其相 互影响，所以本文进行了基于功率平衡的d s p 减负荷系统的相关研究，共分为七 章，具体章节安排如下： 第1 章针对本文要研究的对象，阐述了基于功率平衡d s p 减负荷系统的概 念，指出了电力系统中功率平衡控制的研究现状、意义和本文的研究思路、研究 内容。 第2 章介绍了负荷特性下的功率平衡因素，分别介绍了系统有功一频率特性 和系统无功一电压特性，最后给出了兼顾有功、无功功率的切负荷方案。 第3 章详细介绍了微电网的系统组成，讨论了微电网模型的建立和该微电网 模型实现功率平衡控制的研究。说明了分布式发电系统的一种非常好的故障处理 方式一计划孤岛，并利用e m t d c p s c a d 电力系统仿真软件进行了仿真研究， 分别对微电网的孤岛化暂态过渡运行，主电网三相接地短路永久性故障进行了仿 真，论证了微电网功率平衡控制的有效性。 第4 章对微电网频率预测算法做了详细说明，有助于微电网在孤岛化运行和 并网操作的频率预测。 第5 章详细介绍了微电网的低压减负荷控制算法，给出了基于h o p l c i e l d 神经网 络模型优化的切负荷方案，实现切除最少的负荷线路恢复系统电压的目的。 第6 章介绍了基于功率平衡减负荷系统下的低频减负荷时间常数p i d 算法， 提出了最佳切负荷时刻的意义。新型的减载方案既适用于系统最严重的功率缺额 的情况，也适用于地区性功率缺额的情况。 第7 章对本文的研究内容作了总结，指出研究中的不足之处，并展望了该领 域的研究方向。 1 5 本文完成的任务 本文主要做的工作如下： 1 分析负荷特性下的功率平衡因素，结合系统有功一平率特性和系统无功一 电压特性，给出兼顾有功功率和无功功率控制的切负荷方案。 2 通过对微电网中有功、无功功率的控制研究，给出了具体的微电网频率 浙江工业大学硕士学位论文 预测算法和低压减负荷算法。保证了微电网在联网运行和孤岛化运行中的功率平 衡，维持了系统频率、电压的水平，满足用户多样化的需求。 3 研究了微电网的系统组成，分析了各种微电源的特性的基础上，建立了 一个微电网模型包括三个分布式发电单元，分布式电源一( d g l ) 为发电容量达 1 8 。m v a 的带有励磁和控制单元的传统柴油发电机或汽轮发电机；分布式电源二 ( d g 2 ) 为用电压源换流器( v s c ) 连接的2 5 m v a 电力电子装置；分布式电源 三( d g 3 ) 为额定功率为1 2 5 m v a 恒速风力感应发电机。说明了分布式发电系 统的一种非常好的故障处理方式计划孤岛，并利用e m t d c p s c a d 电力系统仿真 软件进行了仿真研究，分别对微电网的孤岛化暂态过渡运行，主电网三相接地短 路永久性故障进行了仿真，论证了微电网功率平衡控制的有效性。论文中，首先 仿真了在微电网与主电网联网状态下，风力发电机启动接入微电网而引起的系统 功率的流动变化和各发电单元中无功、有功功率的变化情况。接着仿真了计划孤 岛操作下微电网的暂态过渡特性作为故障处理提供了依据。然后我们仿真了主电 网发生三相接地短路故障后，微电网通过跳闸隔离进入孤岛化运行的暂态过程中 系统中各发电单元的功率变化。文中给出了微电网系统运行的仿真结果，充分说 明了微电网系统中的功率平衡控制的重要性。 1 6 本章小结 本章简要介绍了电力系统功率平衡控制的概念，给出了国内外广域网、微电 网功率平衡控制的研究现状及发展趋势，并简单介绍系统的有功一频率特性与无 功一电压特性及系统频率和系统电压稳定的重要性，最后给出本文研究思路、安 排及作者主要完成的工作。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章负荷特性下的功率平衡因素 2 1 系统的有功频率特性 有功负荷随频率改变的特性叫作负荷的功率频率特性，一般可表示为 丘：+ 口。乒) + + 口( ) ” ( 2 1 1 ) 丘= + 口1 牛) + + 口( 手) ” ( 2 一) jnjn 式中厶一额定频率； 最一系统频率为厂时，整个系统的有功负荷； 一一系统频率为额定值厶时，整个系统的有功负荷； 口o ，口1 ，口。为上述各类负荷占的比例系数。 在实际系统中，与频率三次方以上成正比的负荷很少，式( 2 - 1 ) 可简化并用 标准值表示为 忍专= + q 工+ 吃冉 对频率求导得 如= 鲁= a l + 2 a 2 f i 砌。工2 ( 2 2 ) k 工。为负荷的频率调节效应系数。 当系统频率变化时，不同的负荷有不同的频率调节效应。由上式知，当系统 频率降f 氐快时，负荷频率调节效应系数大的负荷从系统吸收的有功功率减少的更 快。按频率减载基本级来讲，对制止频率下降，应优先切除砭。小的负荷，保留 k ，。大的负荷。在频率继续下降时，通过负荷自身的频率调节效应，可减少从系 统吸收的功率，有利于系统平衡功率，使频率快速恢复，并有利于切除更少的负 荷；而对恢复频率至可接受的范围或者额定值的特殊级，在该阶段中频率在不断 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 上升恢复，此时应优先减载k 。大的负荷，保留k p 小的负荷，如此可尽量减少 负荷损失，且利于频率快速恢复。 系统功率最大缺额确定以后，就可以考虑接于自动减负装置上的负荷的总 数。 考虑负荷调节效应后，接于减负荷装置上的负荷总功率可以比最大缺额 功率p q e4 、些。根据负荷调节效应系数公式 k ：! 鱼二垒y 垒：竖： (3)l, z m r z = 一= 一= 一 l- ) ， q l n 、| q 鹭 鹭 笺孕咆。华巩。蛎事 协4 ， p x p h l f n l 1 呵 、。 一 = 警 协5 ， 式中蜕，。一恢复频率偏差的相对值， 。：与墨 足一减负荷前系统用户的总功率 在现代电力系统中，减负荷装置最后一轮动作后，系统频率不应低到使大机 组跳闸的程度，以保证大机组的运行。关于最后一轮动作频率，我国尚未统一规 定，但由于大机组的要求，最后一轮动作频率应大于或等- 于4 8 h z 。 在一个实际的减负荷控制装置中，前后两级的时间间隔受频率测量元件的动 作误差和开关固有跳闸时间限制。最严重的情况是前一轮频率继电器具有最大的 负误差，后一轮频率继电器具有最大的正误差。考虑选择性( 前一轮断开负荷后 如果频率不继续下降，则下一轮就不切除负荷) 的最小的频率误差为 鲈= 2 鲵+ 够+ 蜕 ( 2 6 ) 其中蜕一一频率继电器的最大误差 馘一对应于缸时间内的频率变化，一般取o 1 5h z 浙江工业大学硕士学位论文 够一一两级间留有的频率裕度值，一般取o 0 5 日z 各轮最佳断开功率的计算 目前，在减载装置的第i 轮动作后，只能坐到系统频率的最后稳定值在值 上下的某一个范围内，即在最大恢复频率厶一，与最小恢复频率f h f 曲，之间。 假设，第i 轮动作前频率正好稳定在厶，此时负荷调节效应的补偿功率为 必f ，根据负荷调节效应系数公式，有 蝇， i 广 足一必 七= 1 式中叱为装置前i 一1 轮断开的总负荷功率。 ( 2 7 ) 如果此时第i 轮动作了，频率就会回升到厶。，负荷调节效应的补偿功率 尸a h f o 相应为 由于 所以 蝇酽。= ( 1 0 0 - 叱) 吒。蛳o ( 2 8 ) k = l 蝇f = 世k o + 鹋 do ，1 n n 芒 do ，。 k l l k l * t j o - j ，崩、) 必= ( 1 0 0 一k = l 他，l 厂n 一酬：n h ，f j o 1 ，一上l ， ， 特殊轮的功用与断开功率的选择 在自动减负荷装置动作的过程中，可能出现这样的情况：第i 轮动作后，系 统频率稳定在低于恢复频率的低限a f 晌，但又不足以使i + 1 轮减负荷装置动作。 为了使系统频率恢复到石廊以上，可采用带时限的特殊轮。特殊轮的动作频率 为厶= 厶曲，它是在系统频率已比较稳定时动作的，因此其动作时间可以取 系统频率时间常数弓的2 至3 倍，一般为1 5 至2 5 s 。特殊轮断开功率可按以下两个 极限条件来选择： ( 1 )当最后第二轮即n 一1 轮动作后，系统频率不回升反而降到最后一轮即 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 第r l 轮动作频率厶附近，但又不足使第n 轮动作时，则在特殊轮断开所接用户功 率后，系统频率应恢复到 r 嘶以上。因此特殊轮应断的用户功率为 敝却o o 一荟i - i 删嘉端 沼9 ， 七= 1 ，上、， ， 厂m i i l ， ( 2 ) 当系统频率在第i 轮动作后稳定在稍低于特殊轮的动作频率厶，特 殊轮动作并断开其用户后，系统频率不应高于五加，因此 蛾却oo-圭叱，軎揣(2-10)kffilj nnh f ol 、l ，j j， 为了防止在系统发生振荡或系统电压短时间下降时减负荷装置误动作2 0 1 ，要 求装置能带有一些时限，但时限太长，将使系统发生严重事故时，频率会危险地 降低到临界值以下。因此，般时限可以取为0 2 s 至0 3 s 。 参加自动减载的一部分允许带稍长一些的时限，一般带5 s 时限【2 3 1 ，但是这 部分负荷功率的数量必须控制载这样的范围内【2 1 1 ，即其余部分动作以后，保证系 统频率不低于临界频率4 5h z 2 5 - 2 8 。最佳紧急负荷控制的时间选择在扰动后5 , - 一1 0 个周波时，调整的效果比较理想【3 0 3 2 1 。 2 2 系统的无功电压特性 无功负荷 在电力系统运行中，异步电动机占的比重非常大f 2 2 】。所以系统中无功负荷的 电压特性主要是由异步电动机来确定的见图2 - 1 。其消耗的无功功率为： q = q + 珐= 芝以( 2 - 1 1 ) q 励磁功率与电压平方成正比 幺漏抗以的无功损耗 变压器的无功功率损耗包括：励磁损耗g 和漏抗中的损耗q d 。 驴q d 鹄= 篙+ 器( 2 ( 2 - 1 2 ) 浙江工业大学硕士学位论文 输电线路的无功功率的损耗 q = 皱+ q = 簪一华b 协 骁一串联电抗中的无功损耗 绕一线路电容中的充电功率 这时，负荷无功功率一电压特性可以用二次曲线来表示，如图2 1 所示。当系 统负荷增加时，曲线向e 方移动。 弋 u ju | 图2 - 1 无功功率电压特性曲线 由电力系统送至负荷无功功率的无功电压特性曲线可由如下方法获得。与图 2 - 1 所示系统相应的向量图，如图2 2 所示， 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 由图可知 所以 图2 - 2 无功功率电压特性向量图 p ：明c 。s 口：u x c o s o ：u e qs i n 6 ( 2 - 1 4 ) i xx 尸：堕s i n 万p = j6 x d ：s i i l 万：u x c o s q ，：u e qe o s g , - u 。 z爿 ，厂 q = 号( 乞c o s , 罗一u ) 由于万较小，可以近似认为c o s 6 = 1 ，这样电力系统送至负荷的无功功率的 无功电压特性也近似为二次曲线，图2 1 中曲线2 所示。如果增加e 。，则将使曲 线向上移动。 曲线l 与2 交点a 就确定了负荷节点的电压值u u a ，电力系统在此电压水平 下可以达到无功功率的平衡。 无功功率负荷主要是由异步电动机组成【2 7 1 ，其所需要的无功功率由励磁无功 功率及漏抗所需要的无功功率两部分组成。励磁无功功率与所供给的电压平方成 正比。当电动机负载不变时由于电压降低，使滑差增大，电流增大，漏抗所需要 的无功功率也会增大。 在分析无功负荷的电压特性基础上，给出了一种低电压切负荷控制算法。通 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 过考虑负荷的动态特性，快速地算出负荷的切除量，将系统稳定在指定的电压上。 低电压切负荷方案所需的